Chemiosmose
energieconversie door het binnenste mitochondriale membraan en chemiosmotische koppeling tussen de chemische energie van redoxreacties in de ademhalingsketen en de oxidatieve fosforylering gekatalyseerd door het ATP-synthase.
de beweging van ionen door het membraan hangt af van een combinatie van twee factoren:
- Diffusiekracht veroorzaakt door een concentratiegradiënt – alle deeltjes hebben de neiging om van hogere naar lagere concentratie te diffunderen.,
- elektrostatische kracht veroorzaakt door elektrische potentiaalgradiënt – kationen zoals protonen H+ hebben de neiging om het elektrische potentiaal te diffunderen, van de positieve (P) kant van het membraan tot de negatieve (N) kant. Anionen diffunderen spontaan in de tegenovergestelde richting.
deze twee gradiënten samen kunnen worden uitgedrukt als een elektrochemische gradiënt.
Lipidebilagen van biologische membranen zijn echter barrières voor ionen. Daarom kan energie worden opgeslagen als een combinatie van deze twee gradiënten over het membraan., Alleen speciale membraanproteã nen zoals ionenkanalen kunnen soms toestaan dat ionen over het membraan bewegen (zie ook: Membraantransport). In de chemiosmotische theorie zijn transmembrane ATP synthases erg belangrijk. Ze zetten energie van spontane stroom van protonen door hen om in chemische energie van ATP-bindingen.
daarom creëerden onderzoekers de term proton-motive force (PMF), afgeleid van de eerder genoemde elektrochemische gradiënt. Het kan worden beschreven als de maat van de potentiële energie opgeslagen als een combinatie van proton en spanning (Elektrische potentiaal) gradiënten over een membraan., De elektrische gradiënt is een gevolg van de ladingsscheiding over het membraan (wanneer de protonen H+ bewegen zonder een tegenion, zoals chloride Cl−).
in de meeste gevallen wordt de Proton-aandrijfkracht gegenereerd door een elektronentransportketen die fungeert als een protonpomp, waarbij de Gibbs vrije energie van redoxreacties wordt gebruikt om protonen (waterstofionen) over het membraan te pompen, waarbij de lading over het membraan wordt gescheiden. In mitochondriën, wordt de energie die door de elektronentransportketen wordt vrijgegeven gebruikt om protonen van de mitochondrial matrijs (n-kant) aan de intermembrane ruimte (p-kant) te bewegen., Het verplaatsen van de protonen uit de mitochondrion leidt tot een lagere concentratie van positief geladen protonen binnen het, resulterend in overmatige negatieve lading aan de binnenkant van het membraan. De elektrische potentiaalgradiënt is ongeveer -170 mV, negatief binnen (N). Deze gradiënten-lastverschil en het verschil van de protonconcentratie beide leiden tot een gecombineerde elektrochemische gradiënt over het membraan, vaak uitgedrukt als de proton-drijfkracht (PMF)., In mitochondriën bestaat de PMF bijna volledig uit de elektrische component, maar in chloroplasten bestaat de PMF voornamelijk uit de pH− gradiënt omdat de lading van protonen H+ wordt geneutraliseerd door de beweging van Cl-en andere anionen. In beide gevallen moet de PMF groter zijn dan ongeveer 460 mV (45 kJ/mol) voor de ATP synthase om ATP te kunnen maken.
EquationsEdit
de proton-drijvende kracht is afgeleid van de Gibbs vrije energie. Laat N de binnenkant van een cel aanduiden, en laat P de buitenkant aanduiden. Dan
Δ G = Z F Δ ψ + R T ln ln N P {\displaystyle \ Delta \!G=zF \ Delta \!,\psi + RT \ ln {\frac {_{\text{N}}} {_{\text{P}}}}}
waarbij
voor een elektrochemische protongradiënt z = 1 {\displaystyle z = 1} en als gevolg daarvan:
Δ μ H + = F δ ψ + R T ln ln N P = F δ ψ − (ln 10 10 ) R T Δ P H {\displaystyle \Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{ + }} = F \ Delta \!\ psi + RT \ ln {\frac {_{\text{N}}} {_{\text{P}}}} = F \ Delta \!\psi- (\ln 10)RT \ Delta \ mathrm {pH}}
waarbij
Δ P H = p H N-P H P {\displaystyle \ Delta \!,\mathrm {pH} =\mathrm {pH} _{\mathrm {N} }- \ mathrm {pH} _{\mathrm {P} }} .
Mitchell definieerde de proton-motive force (PMF) als
Δ P = − Δ μ H + F {\displaystyle \ Delta \!p= – {\frac {\Delta \!\mu _{\mathrm {H^ { + }} }} {F}}} .
Δ P = – Δ ψ + (59.1 M V ) Δ P H {\displaystyle \ Delta \!p= – \ Delta \!\psi + \ left (59.1\, \ mathrm {mV} \ right) \ Delta \!\ mathrm {pH} } .
Het is vermeldenswaard dat, zoals bij elk transmembraantransportproces, de PMF gericht is. Het teken van het transmembraan elektrisch potentiaalverschil Δ ψ {\displaystyle \ Delta \!,\psi } wordt gekozen om de verandering in potentiële energie per eenheid lading die in de cel stroomt weer te geven zoals hierboven. Bovendien, als gevolg van redox-aangedreven proton pompen door koppelingsplaatsen, de Proton gradiënt is altijd binnen-alkalisch. Om beide redenen stromen protonen spontaan binnen, van de P-kant naar de N-kant; de beschikbare vrije energie wordt gebruikt om ATP te synthetiseren (zie hieronder). Om deze reden wordt PMF gedefinieerd voor proton import, die spontaan is. PMF voor proton export, dat wil zeggen, Proton pompen zoals gekatalyseerd door de koppelingsplaatsen, is gewoon de negatieve van PMF(import).,
de spontaniteit van protonimport (van de P naar de N kant) is universeel in alle bio-energetische membranen. Dit feit werd niet erkend voor de jaren 1990, omdat het chloroplast thylakoid lumen werd geïnterpreteerd als een inwendige fase, maar in feite is het topologisch gelijkwaardig aan de buitenkant van het chloroplast. Azzone et al. benadrukt dat de binnenfase (n kant van het membraan) is het bacteriële cytoplasma, mitochondrial matrix, of chloroplast stroma; de buitenkant (P) kant is de bacteriële periplasmic ruimte, mitochondrial intermembrane ruimte, of chloroplast lumen., Voorts toont 3D tomografie van het mitochondrial binnenmembraan zijn uitgebreide invaginations worden gestapeld, gelijkend op thylakoidschijven; vandaar is de mitochondrial intermembrane ruimte topologisch vrij gelijkaardig aan het chloroplast lumen.:
de energie die hier wordt uitgedrukt als Gibbs vrije energie, elektrochemische protongradiënt, of proton-motive force (PMF), is een combinatie van twee gradiënten over het membraan:
wanneer een systeem evenwicht bereikt, Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\ rho = 0}; niettemin hoeven de concentraties aan weerszijden van het membraan niet gelijk te zijn., Spontane beweging over het potentiële membraan wordt bepaald door zowel concentratie als elektrische potentiaalgradiënten.
de molaire Gibbs vrije energie Δ G p {\displaystyle \ Delta \!,G_{\mathrm {p} }} van ATP-synthese
O P 4 − + H + + H O P O 3 2 − → A T P 4 − + H 2 O {\displaystyle \mathrm {ADP} ^{4-}+\mathrm {H} ^{+}+\mathrm {HOPO} _{3}^{2-}\rightarrow \mathrm {ATP} ^{4-}+\mathrm {H_{2}O} }
In feite, de thermodynamische efficiëntie is meestal lager in eukaryotische cellen, omdat ATP moet worden geëxporteerd vanuit de matrix naar het cytoplasma, en ADP en fosfaat moet worden geïmporteerd uit het cytoplasma. Dit “kost ” één” extra ” proton import per ATP, dus de werkelijke efficiëntie is slechts 65% (=2,4/3,67).